建筑物多點實時視頻測量方法及測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種建筑物多點實時視頻測量方法及測量系統(tǒng)，該方法包括使用攝像頭對建筑物進行連續(xù)拍攝；圖像采集模塊按照預(yù)設(shè)的時間間隔采集拍攝圖像；在圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點；以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以圖像目標(biāo)點為中心的矩形區(qū)作為參考圖像子區(qū)，在變形后圖像中按照預(yù)定義相關(guān)函數(shù)搜索，尋找與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最值的目標(biāo)圖像子區(qū)，以確定參考圖像子區(qū)位移；根據(jù)相關(guān)參數(shù)獲得參考圖像的像面位移與建筑物物面位移之間的比例關(guān)系，得建筑物各點位移曲線；通過顯示模塊顯示位移曲線。無需在被測建筑物上安裝發(fā)光裝置或配合目標(biāo)；并且可以同時計算一幅圖像中的多個目標(biāo)位置，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多個被測點動態(tài)同步測量。
【專利說明】建筑物多點實時視頻測量方法及測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑物測量技術(shù)，尤其涉及一種建筑物多點實時視頻測量方法及測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的建筑物變形通常使用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、百分表等儀器來測量，下面以橋梁的撓度測量為例進行說明。
[0003]撓度是評價橋梁安全性的重要指標(biāo)，直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險范圍。日前常用的撓度測量方法有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、百分表等，已廣泛用于橋梁施工現(xiàn)場檢測及驗收鑒定中，但這些廉價、結(jié)構(gòu)簡單的測量方法只適用于橋梁短期、人工測量，存在費時費力、使用不便、實時測量困難等不足。因此，一些新型的撓度測量方法，如，測量機器人、傾角儀、GPS (Global Positioning System,全球定位系統(tǒng)的簡稱)、激光圖像法、連通管法、光電成像法等逐漸應(yīng)用于大型橋梁結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測中，可實現(xiàn)長期自動測量。
[0004]在這些新型的撓度測量方法中，在實際應(yīng)用中，也存在著這樣那樣的問題，如，需接觸式測量，需在被測橋梁上安裝光電發(fā)射裝置、或光電接收裝置、或棱鏡、或貼反光膜、測量精度不高、測試時儀器需靠近被測橋梁、無法實現(xiàn)多點動態(tài)同步測量等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種建筑物多點實時視頻測量方法，用于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，實現(xiàn)建筑物非接觸、遠(yuǎn)距離多點實時測量，大大降低建筑物多點動、靜態(tài)測量的難度和工作量，提高測量效率。
[0006]本發(fā)明提供一種建筑物多點實時視頻測量方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1，使用攝像頭對建筑物進行連續(xù)拍攝，并將拍攝圖像存儲于存儲模塊中；使用測距儀測量攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離；
[0008]步驟2，圖像采集模塊按照預(yù)設(shè)的時間間隔采集存儲在所述存儲模塊中的圖像；
[0009]步驟3，在所述圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點；以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以所述圖像目標(biāo)點為中心的矩形參考圖像子區(qū)，在變形后的圖像中按照預(yù)定義的相關(guān)函數(shù)進行搜索，尋找與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的以圖像目標(biāo)點為中心的目標(biāo)圖像子區(qū)，以確定參考圖像子區(qū)的位移；
[0010]步驟4，根據(jù)所述攝像頭自身的參數(shù)、安裝參數(shù)以及上述攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離，獲得參考圖像的像面位移與建筑物物面位移之間的比例關(guān)系，進而得到所述建筑物上與各圖像目標(biāo)點對應(yīng)的實際目標(biāo)點隨時間變化的位移曲線；
[0011]步驟5，通過顯示模塊顯示上述各實際目標(biāo)點的位移曲線。
[0012]本發(fā)明提供的建筑物多點實時視頻測量方法，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，通過處理建筑物結(jié)構(gòu)變形前后被測點表面的數(shù)字圖像直接獲得位移和形變信息，這里的被測點根據(jù)建筑物成像后在圖像采集模塊采集的圖像中選定即圖像目標(biāo)點，被測物體變形前后的兩幅數(shù)字圖像，即變形前的參考場和變形后的變形場；在變形前的圖像中，取以所求圖像目標(biāo)點(x，y)為中心的矩形子區(qū)即模板，在變形后的圖像中通過一定的搜索方法，并按相關(guān)函數(shù)來進行相關(guān)計算，尋找與模板的相關(guān)系數(shù)C為極值的以(X’，y’)為中心的矩形區(qū)域以確定目標(biāo)點的位移。其中，相關(guān)系數(shù)C是刻畫參考場f(x，y)和變形場g U’，y’)在某種條件下相似程度的函數(shù)；由于該方法中被測點表面的灰度信息通過自然光照明直接獲得，所以無需在被測建筑物上安裝發(fā)光裝置或配合目標(biāo)；并且可以同時計算一幅圖像中的多個目標(biāo)位置，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多個被測點動態(tài)同步測量。
[0013]本發(fā)明還提供一種建筑物多點實時視頻測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0014]攝像頭，固定在支架上，用于連續(xù)拍攝建筑物的圖像；
[0015]所述支架，用于支承和固定所述攝像頭；
[0016]測距儀，用于測量所述攝像頭成像系統(tǒng)到所述建筑物之間的距離；
[0017]存儲模塊，與所述攝像頭連接，用于存儲攝像頭拍攝的圖像；
[0018]圖像采集模塊，與所述存儲模塊連接，用于按照預(yù)設(shè)的時間間隔采集存儲在所述存儲模塊中的圖像；
[0019]目標(biāo)圖像位移獲取模塊，在所述圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點；以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以所述圖像目標(biāo)點為中心的矩形參考圖像子區(qū)，在變形后的圖像中按照預(yù)定義的相關(guān)函數(shù)進行搜索，尋找與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的以圖像目標(biāo)點為中心的目標(biāo)圖像子區(qū)，以確定參考圖像子區(qū)的位移；
[0020]實際目標(biāo)點位移獲取模塊，與所述測距儀連接，根根據(jù)所述攝像頭自身的參數(shù)、安裝參數(shù)以及上述攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離，獲得參考圖像的像面位移與建筑物物面位移之間的比例關(guān)系，進而得到所述建筑物上與各圖像目標(biāo)點對應(yīng)的實際目標(biāo)點隨時間變化的位移曲線；
[0021]顯示模塊，與所述建筑物目標(biāo)點位移獲取模塊連接，用于顯示上述各實際目標(biāo)點的位移曲線。
[0022]本發(fā)明提供的建筑物多點實時視頻測量系統(tǒng)，通過攝像頭對建筑物連續(xù)拍攝，拍攝的圖像存在存儲模塊中，通過圖像采集模塊按照拍攝順序?qū)D像進行采集，以采集的第一幅圖像為參考圖像，并在參考圖像中選定與建筑物上被測點對應(yīng)的點作為圖像目標(biāo)點，并在參考圖像中取以圖像目標(biāo)點為中心的矩形區(qū)作為參考圖像子區(qū)，通過預(yù)先在目標(biāo)圖像位移獲取模塊的程序中設(shè)定相關(guān)函數(shù)，即可在采集的第二幅圖像中搜索到與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的目標(biāo)圖像子區(qū)，從而可以確定第一幅圖像中參考圖像子區(qū)的位移；再以第二幅圖像為參考圖像，再通過上述相關(guān)函數(shù)，即可在采集的第三幅圖像中搜索到與第二幅圖像中參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的目標(biāo)圖像子區(qū)，從而可以確定第二幅圖像中參考圖像子區(qū)的位移；依次循環(huán)，可以獲得最后第N幅圖像中參考圖像子區(qū)的位移；如果依次在參考圖像中選定多個圖像目標(biāo)點，并取多個圖像目標(biāo)子區(qū)，則程序可同時運行，即可同時根據(jù)相關(guān)函數(shù)搜索確定參考圖像子區(qū)的位移；實際目標(biāo)點位移獲取模塊根據(jù)已知參數(shù)可以獲得參考圖像的像面位移與建筑物物面位移之間的比例系數(shù)，將上述參考圖像子區(qū)的位移均乘以上述比例系數(shù)即可獲得建筑物上與各圖像目標(biāo)點對應(yīng)的實際目標(biāo)點的位移；繼而可得以每次采集圖像的時間為橫坐標(biāo)、以實際目標(biāo)點的位移為縱坐標(biāo)的位移曲線；被測點即實物目標(biāo)點表面的灰度信息通過自然光照明直接獲得，所以無需在被測建筑物上安裝發(fā)光裝置或配合目標(biāo)；并且可以同時計算一幅圖像中的多個目標(biāo)位置，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多個被測點動態(tài)同步測量，提高了測量效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例提供的建筑物多點實時視頻測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為變形前后圖像子區(qū)的示意圖；
[0025]圖3為程序迭代流程圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1-3所示，本發(fā)明實施例提供一種建筑物多點實時視頻測量方法，包括以下步驟:
[0027]步驟1，使用攝像頭對建筑物進行連續(xù)拍攝，并將拍攝圖像存儲于存儲模塊中；使用測距儀測量攝像頭成像系統(tǒng)到建筑物之間的距離；
[0028]步驟2，圖像采集模塊按照預(yù)設(shè)的時間間隔采集存儲在存儲模塊中的圖像；
[0029]步驟3，在圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點；以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以圖像目標(biāo)點為中心的矩形參考圖像子區(qū)，在變形后的圖像中按照預(yù)定義的相關(guān)函數(shù)進行搜索，尋找與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的以圖像目標(biāo)點為中心的目標(biāo)圖像子區(qū)，以確定參考圖像子區(qū)的位移；
[0030]步驟4，根據(jù)攝像頭自身的參數(shù)、安裝參數(shù)以及上述各參考圖像相對于目標(biāo)圖像的位移獲得參考圖像的像面位移與建筑物的表面位移之間的比例關(guān)系，進而得到建筑物上與各圖像目標(biāo)點對應(yīng)的實際目標(biāo)點隨時間變化的位移曲線；
[0031 ] 步驟5，通過顯示模塊顯示上述各實際目標(biāo)點的位移曲線。
[0032]本發(fā)明提供的建筑物多點實時視頻測量方法，采用數(shù)字圖像處理方法，通過處理建筑物結(jié)構(gòu)變形前后被測點表面的數(shù)字圖像直接獲得位移和形變信息，這里的被測點根據(jù)建筑物成像后在圖像采集模塊采集的圖像中選定，即圖像目標(biāo)點，被測物體變形前后的兩幅數(shù)字圖像，即變形前的參考場和變形后的變形場；在變形前的圖像中，取以所求圖像目標(biāo)點(x，y)為中心的矩形子區(qū)即模板，在變形后的圖像中通過一定的搜索方法，并按相關(guān)函數(shù)來進行相關(guān)計算，尋找與模板的相關(guān)系數(shù)C為極值的以U’，y’)為中心的矩形區(qū)域以確定目標(biāo)點的位移。其中，相關(guān)系數(shù)C是刻畫參考場f(x，y)和變形場g (x’，y’)在某種條件下相似程度的函數(shù)；由于該方法中被測點表面的灰度信息通過自然光照明直接獲得，所以無需在被測建筑物上安裝發(fā)光裝置或配合目標(biāo)；并且可以同時計算一幅圖像中的多個目標(biāo)位置，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多個被測點動態(tài)同步測量。
[0033]作為上述實施例的進一步地改進:
[0034]如圖2、圖3所示，步驟3包括以下步驟:
[0035]步驟31，在圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點，若圖像目標(biāo)點在(χ0，y0)；
[0036]步驟32，以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以圖像目標(biāo)點(X(l，yci)為中心的矩形區(qū)作為參考圖像子區(qū)；變形后的圖像為目標(biāo)圖像，假設(shè)參考圖像子區(qū)中的各點(X，y)與變形后的目標(biāo)圖像子區(qū)中各點(X’，I，)按照如下函數(shù)關(guān)系一一對應(yīng):
【權(quán)利要求】
1.一種建筑物多點實時視頻測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，使用攝像頭對建筑物進行連續(xù)拍攝，并將拍攝圖像存儲于存儲模塊中；使用測距儀測量攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離； 步驟2，圖像采集模塊按照預(yù)設(shè)的時間間隔采集存儲在所述存儲模塊中的圖像； 步驟3，在所述圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點；以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以所述圖像目標(biāo)點為中心的矩形區(qū)作為參考圖像子區(qū)，在變形后的圖像中按照預(yù)定義的相關(guān)函數(shù)進行搜索，尋找與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的目標(biāo)圖像子區(qū)，以確定參考圖像子區(qū)的位移； 步驟4，根據(jù)所述攝像頭自身的參數(shù)、安裝參數(shù)以及上述攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離，獲得參考圖像的像面位移與建筑物物面位移之間的比例關(guān)系，進而得到所述建筑物上與各圖像目標(biāo)點對應(yīng)的實際目標(biāo)點隨時間變化的位移曲線； 步驟5，通過顯示模塊顯示上述各實際目標(biāo)點的位移曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑物多點視頻測量方法，其特征在于: 所述步驟3包括: 步驟31，在圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點，若圖像目標(biāo)點在(χ0，y0)； 步驟32，以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以圖像目標(biāo)點(X(l，y(l)為中心的矩形區(qū)為參考圖像子 區(qū)；變形后的圖像為目標(biāo)圖像，假設(shè)參考圖像子區(qū)中的各點U，y)與變形后的目標(biāo)圖像子區(qū)中各點(X’，? )按照如下函數(shù)關(guān)系一一對應(yīng):
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的建筑物多點視頻測量方法，其特征在于: 步驟32中的參考圖像子區(qū)大小為(2Μ+1) X (2Μ+1);其中M為局部位移場中各數(shù)據(jù)點的局部坐標(biāo)； 步驟33中的相關(guān)函數(shù)如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的建筑物多點視頻測量方法，其特征在于:對步驟33中的相關(guān)函數(shù)的一次偏導(dǎo)數(shù)采用Newton — Raphson迭代法進行優(yōu)化求解，并以整像素位移搜索結(jié)果為迭代初值，當(dāng)待求變形參數(shù)矢量P使變形前后圖像子區(qū)灰度最為相似時，目標(biāo)函數(shù)取最小值，此時其灰度梯度為O:
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的建筑物多點視頻測量方法，其特征在于: 所述步驟4包括以下步驟: 步驟41，在二維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)中，由攝像頭像元大小W、傳感器幅面尺寸S、攝像頭焦距f、通過支架安裝后攝像頭的垂直仰角α、水平夾角β、實際目標(biāo)點在圖像中的成像位置(X，y)以及實際目標(biāo)點與攝像頭成像像面的實際距離山獲得實際目標(biāo)點在像面與物面的比例系數(shù):
K (X，Y) =k [w, s, f, α , β , (X，y), d]； 步驟42,若像面位移為:[u (X，y)，V (X，y)],物面位移為: [U(X, Y)，V(X，Y)]，則像面位移與的物面位移比例關(guān)系如下: u (X，y) =KU (X，Y), V (X，y) =KV (X，Y)； 由步驟3可得像面位移值，由步驟41可得在像面與物面的比例系數(shù)；進而獲得物面位移值； 步驟43，根據(jù)物面位移值獲得各實際目標(biāo)點的隨時間變化的位移曲線。
6.一種建筑物多點實時視頻測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 攝像頭，固定在支架上，用于連續(xù)拍攝建筑物的圖像； 所述支架，用于支承和固定所述攝像頭； 測距儀，用于測量所述攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離； 存儲模塊，與所述攝像頭連接，用于存儲攝像頭拍攝的圖像；圖像采集模塊，與所述存儲模塊連接，用于按照預(yù)設(shè)的時間間隔采集存儲在所述存儲模塊中的圖像； 目標(biāo)圖像位移獲取模塊，在所述圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點；以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以所述圖像目標(biāo)點為中心的矩形區(qū)作為參考圖像子區(qū)，在變形后的圖像中按照預(yù)定義的相關(guān)函數(shù)進行搜索，尋找與參考圖像子區(qū)的相關(guān)系數(shù)為最大值或最小值的目標(biāo)圖像子區(qū)，以確定參考圖像子區(qū)的位移； 實際目標(biāo)點位移獲取模塊，與所述測距儀連接，根據(jù)所述攝像頭自身的參數(shù)、安裝參數(shù)以及上述攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離，獲得參考圖像的像面位移與建筑物物面位移之間的比例關(guān)系，進而得到所述建筑物上與各圖像目標(biāo)點對應(yīng)的實際目標(biāo)點隨時間變化的位移曲線； 顯示模塊，與所述建筑物目標(biāo)點位移獲取模塊連接，用于顯示上述各實際目標(biāo)點的位移曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的建筑物多點實時視頻測量系統(tǒng)，其特征在于: 所述目標(biāo)圖像位移獲取模塊包括: 圖像目標(biāo)鎖定模塊，用于在圖像采集模塊采集的圖像上鎖定至少一個圖像目標(biāo)點； 目標(biāo)圖像子區(qū)獲取模塊，以變形前的圖像為參考圖像，在參考圖像中取以圖像目標(biāo)點Cx0, yo)為中心的矩形參考圖像子區(qū)；以變形后的圖像為目標(biāo)圖像，建立參考圖像子區(qū)中各點(X，y)與目標(biāo)圖像子區(qū)中各點(X’，y’)之間一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系:..du.du.X = Xn + Δχ + μ H--Ax H--Δν
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的建筑物多點實時視頻測量系統(tǒng)，其特征在于: 所述預(yù)定義相關(guān)函數(shù)為:

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的建筑物多點視頻測量系統(tǒng)，其特征在于: 所述目標(biāo)圖像子區(qū)獲取模塊還包括:優(yōu)化處理模塊； 所述優(yōu)化處理模塊用于對相關(guān)函數(shù)的一次偏導(dǎo)數(shù)采用Newton — Raphson迭代法進行優(yōu)化求解，并以整像素位移搜索結(jié)果為迭代初值，當(dāng)待求變形參數(shù)矢量P使變形前后圖像子區(qū)灰度最為相似時，目標(biāo)函數(shù)取得最小值，此時其灰度梯度為O:
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9任一所述的建筑物多點視頻測量系統(tǒng)，其特征在于: 所述實際目標(biāo)點位移獲取模塊中攝像頭自身的參數(shù)包括:攝像頭像元大小《、傳感器幅面尺寸s和攝像頭焦距f ； 所述攝像頭安裝參數(shù)包括:支架安裝后攝像頭的垂直仰角α和水平夾角β ; 在二維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)中，實際目標(biāo)點在圖像中的成像位置(x，y)，攝像頭成像像面到所述建筑物之間的距離即實際目標(biāo)點與像面的實際距離山則實際目標(biāo)點在像面與物面的比例系數(shù)為:
K (X，Y) =k [w, s, f, α , β , (X，y), d]； 若像面位移為:[u (x, y), V (x, y)],物面位移為: [U(x, Y)，V(X，Y)]，則像面位移與的物面位移比例關(guān)系如下: u (X，y) =KU (X，Y), V (X，y) =KV (X，Y)。
【文檔編號】G01B11/16GK103743356SQ201410022513
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】蔡友發(fā), 田壟, 趙巖, 梁慧, 李飛 申請人:北京光電技術(shù)研究所